पैराबोलॉइड से फेज़्ड ऐरे तक: हवाई रडार एंटेना के विकास का संक्षिप्त इतिहास

युद्ध की आवश्यकताओं में बदलाव और विज्ञान एवं प्रौद्योगिकी की प्रगति के साथ, हवाई युद्ध का महत्व लगातार बढ़ता जा रहा है। लड़ाकू विमानों के एयरबोर्न रडार का विकास इसका एक उत्कृष्ट उदाहरण है। रडार उपकरणों के विकास में सबसे स्पष्ट बदलाव इसके एंटीना में दिखाई देता है। आइए एयरबोर्न रडार एंटीना के विकास पर संक्षेप में चर्चा करें।

प्रारंभिक दिनों में सरल हवाई खोज और परास कार्यों से लेकर आज तक, हवाई रडार का विकास हुआ है। यह न केवल एक बड़े क्षेत्र में खोज, ट्रैकिंग और नियंत्रण मार्गदर्शन को ध्यान में रखता है, बल्कि जमीनी सर्वेक्षण और मानचित्रण, एसएआर इमेजिंग और अन्य बहु-कार्यों को भी शामिल करता है। सामान्यतः, हवाई रडार को उच्च लाभ (पता लगाने की सीमा बढ़ाने के लिए), संकीर्ण बीम (कोण माप सटीकता बढ़ाने के लिए) और कम साइड लोब (हस्तक्षेप का प्रतिरोध करने के लिए) जैसी विशेषताओं वाले एंटेना की आवश्यकता होती है। उच्च लाभ और संकीर्ण बीम प्राप्त करने के लिए, सबसे सरल तरीका यागी एंटेना और परवलयिक (एकल परावर्तक) एंटेना जैसे दिशात्मक एंटेना का उपयोग करना है। यागी एंटेना बहुत बड़ा होता है और परवलयिक एंटेना में यागी एंटेना की तुलना में कम साइड लोब प्राप्त करना आसान होता है। इसलिए, शीत युद्ध के बाद के शुरुआती हवाई रडारों ने आम तौर पर परवलयिक एंटेना का रूप अपनाया।

परवलयिक एंटीना (एकल परावर्तक एंटीना)।इस प्रकार के एंटीना में मुख्य सतह के रूप में एक बड़ा परवलयाकार भाग (पैराबोलॉइड) और मुख्य सतह के ठीक सामने केंद्र में स्थित एक हॉर्न (हॉर्न) का उपयोग फीड स्रोत (फॉरवर्ड फीड) के रूप में किया जाता है (हॉर्न को केंद्र से थोड़ा हटकर भी लगाया जा सकता है, जिसे ऑफसेट फीड कहा जाता है)। इसका कार्य सिद्धांत प्रकाशिकी में परवलयिक दर्पण के समान है। कार्य सिद्धांत यह है कि जब एंटीना विकिरण मोड में कार्य करता है, तो हॉर्न द्वारा विकीर्ण गोलाकार तरंगें परवलयाकार भाग से टकराती हैं, और परवलयाकार भाग हॉर्न से आने वाली गोलाकार तरंग को समतल तरंग में परिवर्तित कर देता है, जिससे वह मुक्त अंतरिक्ष में विकीर्ण होती है। कार्य और ग्रहण मोड में, मुख्य परावर्तक सतह मुक्त अंतरिक्ष में प्रेषित समतल तरंगों (जिन्हें गोलाकार तरंगें कहा जाता है) को अभिसरित करती है और उन्हें फीड स्पीकर पर वापस भेज देती है। इस प्रकार के एंटीना को एक्स-बैंड और उससे नीचे के बैंड में संसाधित करना आसान है, इसकी संरचना सरल है और लागत कम है। हालांकि, इसके नुकसान भी स्पष्ट हैं। क्योंकि आमतौर पर पैराबोलिक एंटेना में फोकल व्यास अनुपात (हॉर्न से परावर्तक सतह तक की दूरी और मुख्य परावर्तक सतह के आकार का अनुपात) अधिक होने पर उच्च प्रदर्शन प्राप्त करना आसान होता है, इसलिए एंटेना का समग्र आकार ऊंचा और आयतन बड़ा होता है। विशेष रूप से जब एंटेना को घुमाकर पूरी तरह से स्कैन किया जाता है, तो यह मशीन हेड में काफी जगह घेरता है, इसलिए इसका स्कैनिंग कोण भी अपेक्षाकृत सीमित होता है। इन कठिनाइयों को दूर करने के लिए, "कैसग्रेन" नामक दोहरी परावर्तक सतह का उपयोग किया जाने लगा।

परवलयिक एंटेना की मूल संरचना और कार्यप्रणाली आरेख

परवलयिक एंटेना की मूल संरचना और कार्यप्रणाली आरेख

SL1 रडार (सोवियत РП-1/5 प्रकार की नकल) का एंटीना, जो J-5A ऑल-वेदर संस्करण से लैस है।

कैसग्रेन एंटीना।यह एक एकल परावर्तक एंटेना का उन्नत रूप है। एकल परावर्तक एंटेना की तुलना में, इसमें जोड़ा गया उप-परावर्तक स्पीकर द्वारा उत्सर्जित विद्युत चुम्बकीय तरंगों को प्रारंभ में ही अनुकूलित कर देता है और उन्हें अधिक आदर्श वितरण प्रदान करता है, जिससे वे मुख्य परावर्तक पर वापस परावर्तित हो जाती हैं। मुख्य परावर्तक फिर आकारित गोलाकार तरंग को समतल तरंग में परिवर्तित करता है और उसे मुक्त अंतरिक्ष में विकीर्ण करता है। इसका लाभ यह है कि यह एंटेना के छिद्र की दक्षता में सुधार करता है, लाभ बढ़ाता है, फोकल व्यास अनुपात को काफी कम करता है, एंटेना के समग्र आकार को कम करता है और उसका आकार घटाता है। रिसीवर और फीडर के भी मुख्य सतह पर होने से सिस्टम वायरिंग लेआउट अधिक सुगम होता है और सिस्टम शोर कम होता है। हालांकि, उप-परावर्तक के जुड़ने से मुख्य सतह की परिरक्षण क्षमता में वृद्धि की समस्या भी उत्पन्न होती है, जिससे एंटेना का समग्र लाभ कम हो जाता है और पार्श्व-लोब स्तर बढ़ जाता है।

कैसग्रेन एंटीना की मूल संरचना और कार्य सिद्धांत

Su-15 इंटरसेप्टर विमान (RP-11) का "ईगल" रडार

Su-15 इंटरसेप्टर विमान (RP-11) का "ईगल" रडार

सब-रिफ्लेक्टर अवरोध की समस्या को हल करने के लिए, एक इनवर्टेड कैसग्रेन एंटीना प्रस्तावित किया गया और हवाई रडार में इसका व्यापक रूप से उपयोग किया जाता है। इनवर्टेड कैसग्रेन को डिफॉर्मेड कैसग्रेन एंटीना भी कहा जाता है। कैसग्रेन एंटीना के आधार पर, यह सब-रिफ्लेक्टर की स्थिति को ध्रुवीकृत ग्रिड पैराबोलॉइड में और मुख्य सतह की स्थिति को ध्रुवीकृत ट्विस्टेड प्लेट में बदल देता है। (वास्तव में, इनवर्टेड कार्ड एंटीना में, मुख्य और द्वितीयक सतहों की स्थिति सामान्य कैसग्रेन एंटीना से स्पष्ट रूप से भिन्न होती है।) इसका कार्य सिद्धांत कैसग्रेन एंटीना से काफी अलग है: ध्रुवीकरण ट्विस्टेड संस्करण पर स्थित हॉर्न फीड क्षैतिज रूप से रैखिक रूप से ध्रुवीकृत विद्युत चुम्बकीय तरंगें उत्सर्जित करता है जो आगे की ओर ध्रुवीकरण ग्रिड से लगभग पूरी तरह से परावर्तित होकर वापस आ जाती हैं, और गोलाकार तरंग को समतल तरंग में बदल देती हैं, जो पीछे स्थित ध्रुवीकरण ट्विस्टिंग प्लेट से टकराकर क्षैतिज ध्रुवीकरण तरंग को ऊर्ध्वाधर रैखिक रूप से ध्रुवीकृत विद्युत चुम्बकीय तरंग में "मोड़" देती है, जो आगे के ध्रुवीकरण ग्रिड से होकर मुक्त अंतरिक्ष में विकीर्ण होती है। संक्षेप में, यद्यपि उल्टे कार्ड फीड द्वारा उत्सर्जित बीम दो बार परावर्तित होती है, फिर भी यह सामान्य कैसग्रेन एंटीना से इस मायने में भिन्न है कि इसके मध्य में ध्रुवीकरण घुमाव की प्रक्रिया होती है। एंटीना के सामने स्थित ध्रुवीकरण ग्रिड केवल क्षैतिज रूप से ध्रुवीकृत विद्युत चुम्बकीय तरंगों को ही अवरुद्ध करता है और ऊर्ध्वाधर रैखिक रूप से ध्रुवीकृत तरंगों पर इसका लगभग कोई प्रभाव नहीं पड़ता। वैसे, ग्राउंड क्लटर से निपटने के लिए, हवाई रडार एंटीना अधिकतर ऊर्ध्वाधर रैखिक रूप से ध्रुवीकृत होते हैं। यह ध्रुवीकरण घुमाव प्लेट को उचित रूप से घुमाकर बीम स्कैनिंग करता है। इसलिए, फ्लिप-कार्ड एंटीना सब-रिफ्लेक्टर अवरोध की समस्या को हल करता है, और फीड और ध्रुवीकरण ग्रिड को थोड़ा ऑफसेट भी कर सकता है, जिससे एंटीना का समग्र आकार और भी कम हो जाता है। अपने अनूठे फायदों के कारण, फ्लिप-अप एंटीना दूसरी पीढ़ी के फोनों में बहुत लोकप्रिय हैं।

फ्लिप-कार्ड एंटीना का कार्य सिद्धांत यह है कि सामने की क्षैतिज पट्टी एक ध्रुवीकरण ग्रिड होती है। इसके पीछे की ओर 45 डिग्री के कोण पर ध्रुवीकृत घुमावदार प्लेट लगी होती है।

मिग-21बीआईएस में लगे सैफायर-21 रडार द्वारा उपयोग किया जाने वाला उल्टा कार्ड एंटीना। ध्यान दें कि इसमें ध्रुवीकरण ग्रिड स्थापित नहीं है।

टॉरनेडो लड़ाकू विमान AI-24 के रडार सिस्टम में प्रयुक्त उल्टा कैसग्रेन एंटीना

मिग25 टॉरनेडो ए रडार द्वारा उपयोग किए जाने वाले उल्टे कार्ड एंटीना में कोई ध्रुवीकरण ग्रिड स्थापित नहीं है।

Su27 के n001 रडार द्वारा उपयोग किए जाने वाले उल्टे कार्ड एंटीना की एक और उल्लेखनीय विशेषता यह है कि इसकी ध्रुवीकरण ग्रिड सतह स्थापित नहीं है।

Su27 के n001 रडार द्वारा उपयोग किया जाने वाला उल्टा कार्ड एंटीना। ध्यान दें कि यह पूरी तरह से तैयार अवस्था में है, जिसमें एक ध्रुवीकरण ग्रिड स्थापित है।

ऊपर वर्णित एंटेना के मूल कार्य सिद्धांत परावर्तक सतहों के आकार पर आधारित हैं, जो एकल या दोहरी परावर्तक सतहों, और ध्रुवीकरण वलन की उपस्थिति आदि जैसे विवरणों में भिन्न होते हैं। मुख्य सतह से स्पीकर की दूरी को नियंत्रित करके, प्रकाश की तीव्रता को समायोजित करके, आदि उच्च लाभ और निम्न पार्श्व लोब प्राप्त करना आसान है। प्रारंभिक चरणों में भी संतोषजनक प्रदर्शन प्राप्त किया जा सकता है। हालांकि, परावर्तक सतहों के रूप में कार्य करने वाले एंटेना के लिए प्रसंस्करण आवश्यकताएं अधिक नहीं हैं (एक्स-बैंड अपेक्षाकृत अच्छा है, लेकिन उच्च आवृत्ति बैंड में कठिनाई तेजी से बढ़ती है), लागत भी स्वीकार्य है। हालांकि, हवाई रडार के प्रदर्शन में सुधार के साथ, एंटेना भाग के लिए नई आवश्यकताएं भी सामने आई हैं, जैसे कि बड़ा स्कैनिंग कोण, निम्न पार्श्व लोब और आकारित बीमों का निर्माण। फ्लिप-कार्ड एंटेना की अंतर्निहित कमियों में ऊर्जा रिसाव (जिससे एपर्चर दक्षता में कमी और गेन में हानि होती है), स्कैनिंग के दौरान बीम में गंभीर विकृति (मुख्य लोब गेन में कमी, मुख्य बीम का चौड़ा होना और साइड लोब का बढ़ना) और भारी एंटेना का वजन शामिल हैं। इसलिए, सभी का मानना ​​है कि वायु वर्चस्व हासिल करने की चाह रखने वाले तीसरी पीढ़ी के विमान: मिग-29 और एसयू-27, दोनों ने शुरुआती दिनों में उल्टे कैसग्रेन एंटेना का इस्तेमाल किया था, जो कुछ हद तक पुराना लगता है।

हम जानते हैं कि उच्च गेन, संकीर्ण बीम और कम साइड लोब वाले हवाई रडार की आवश्यकताओं को पूरा करने के लिए, सरल संरचना के कारण पहले पैराबोलिक एंटेना का उपयोग किया जाता था। एक और एंटेना है जो आकार में थोड़ा अधिक जटिल है लेकिन बेहतर प्रदर्शन करता है, और वह है प्लानर ऐरे एंटेना। प्लानर ऐरे एंटेना एक विशिष्ट ऐरे एंटेना है। दर्जनों से लेकर सैकड़ों या हजारों छोटे एंटेना यूनिट को एक निश्चित नियम और दूरी के अनुसार ऐरे सतह पर समान रूप से व्यवस्थित किया जाता है। एक सिंगल एंटेना का बीम बहुत चौड़ा और गेन कम हो सकता है, लेकिन एंटेना ऐरे पर कई एंटेना यूनिट के एक साथ काम करने से बहुत उच्च गेन, संकीर्ण बीम और यहां तक ​​कि अल्ट्रा-लो साइड लोब भी प्राप्त किए जा सकते हैं (इसे बाद में प्लानर फेज़्ड ऐरे में भी अपग्रेड किया जा सकता है)। इसलिए, अपने उत्कृष्ट प्रदर्शन के कारण, प्लानर ऐरे एंटेना ने रिफ्लेक्टिव सरफेस एंटेना को जल्दी ही प्रतिस्थापित कर दिया और विभिन्न तृतीय-पीढ़ी, तृतीय-पीढ़ी संशोधित और चतुर्थ-पीढ़ी हवाई रडार प्रणालियों में मुख्यधारा बन गए। आज के उन्नत हवाई रडार, फेज़्ड ऐरे रडार, लगभग सभी प्लानर ऐरे एंटेना का उपयोग करते हैं।

सामान्य प्लेनर ऐरे एंटेना में वेवगाइड (फ्लैट प्लेट) स्लॉट ऐरे, ओपन वेवगाइड ऐरे, डाइपोल ऐरे, विवल्डी एंटेना ऐरे, माइक्रोस्ट्रिप पैच एंटेना ऐरे आदि शामिल हैं।

वेवगाइड स्लॉट ऐरे एक सामान्य माइक्रोवेव संचरण संरचना है। वेवगाइड की सतह पर स्लिट (स्लॉट) खोले जाते हैं, जिससे ये छोटे स्लॉट विद्युत चुम्बकीय तरंगों को विकीर्ण करने के लिए एक एंटीना के रूप में कार्य करते हैं। इसका लाभ यह है कि यह फीड संरचना से मेल खाता है और इसकी शक्ति क्षमता अधिक होती है। हवा में स्थित वेवगाइड स्लॉट देखने में ऐसे लगते हैं जैसे उन्हें एक सपाट प्लेट में काटा गया हो, इसलिए इन्हें कभी-कभी फ्लैट स्लॉट ऐरे भी कहा जाता है।

E3 द्वारा उपयोग किए जाने वाले APY1 रडार में वेवगाइड स्लॉट एंटीना ऐरे का उपयोग किया जाता है।

एफ15 के एपीजी63 रडार द्वारा उपयोग किए जाने वाले फ्लैट-प्लेट स्लॉट ऐरे में एक आईएफएफ एलिमेंट एंटीना (ऐरे) होता है जो परिधि से बाहर निकला हुआ होता है।

 एफ15 के एपीजी63 रडार द्वारा उपयोग किए जाने वाले फ्लैट-प्लेट स्लॉट ऐरे में एक आईएफएफ एलिमेंट एंटीना (ऐरे) होता है जो परिधि से बाहर निकला हुआ होता है।

F16A/B के APG66 रडार द्वारा उपयोग की जाने वाली फ्लैट-प्लेट स्लॉट सरणी

इसी के समान ओपन वेवगाइड ऐरे एंटीना है। ओपन वेवगाइड भी वेवगाइड संरचना का उपयोग करता है, लेकिन इसमें स्लॉट और स्लिट्स के बजाय, यह सीधे वेवगाइड के मुख की सतह का उपयोग विद्युत चुम्बकीय तरंगों को विकीर्ण करने के लिए करता है। इस प्रकार के ओपन वेवगाइड का अनुप्रस्थ काट थोड़ा बड़ा और वजन अधिक होने के कारण, यह भूमि या जहाज आधारित रडारों में अधिक सामान्य है, और हवाई रडारों में इसका उपयोग शायद ही कभी किया जाता है।

ऊपर वर्णित संरचना, जो फीडिंग और रेडिएशन के लिए वेवगाइड्स का उपयोग करती है, एंटीना मैचिंग के लिए उपयुक्त है, और इसकी उच्च शक्ति क्षमता इसका एक महत्वपूर्ण लाभ है। हालांकि, एंटीना बैंडविड्थ अक्सर सीमित होती है और वजन को नियंत्रित करना कठिन होता है। इसके परिणामस्वरूप, कई नवीन डिजाइनों का उपयोग धीरे-धीरे हवाई रडार प्रणालियों में किया जाने लगा।

दरअसल, शीत युद्ध के अंतिम दौर में, हवाई रडार की स्कैनिंग गति बढ़ाने और उसकी क्षमता को और अधिक बढ़ाने (जैसे एक साथ खोज, ट्रैकिंग, फायर कंट्रोल, मार्गदर्शन, ग्राउंड डिटेक्शन आदि) के लिए इंजीनियरों ने फेज़्ड ऐरे एंटेना का उपयोग किया था, और इसे आज भी उन्नत तकनीक माना जाता है। फेज़्ड ऐरे एंटेना दिखने में सामान्य प्लेनर ऐरे एंटेना से बहुत अलग नहीं होता। इसे साधारण मशीन-स्कैन किए गए प्लेनर ऐरे एंटेना की फीड संरचना में संशोधन के रूप में भी समझा जा सकता है (बैक-एंड ट्रांसमीटर/रिसीवर और सिग्नल प्रोसेसिंग एल्गोरिदम में निश्चित रूप से काफी बदलाव होगा)। एंटेना यूनिट के बैक एंड में फेज़ शिफ्टर जोड़ने से पैसिव फेज़्ड ऐरे एंटेना (PESA) प्राप्त होता है। यदि आप फेज़ शिफ्टर का उपयोग नहीं करना चाहते और TR कंपोनेंट जोड़ते हैं, तो एक्टिव फेज़्ड ऐरे एंटेना (AESA) प्राप्त होता है। एंटेना इंजीनियरों के लिए, एक ही एंटेना ऐरे का उपयोग AESA या PESA दोनों के लिए किया जा सकता है। इसलिए, प्लेनर ऐरे एंटेना में फेज़्ड ऐरे एंटेना में अपग्रेड होने की अपार संभावनाएं हैं।

AESA एंटेना से अपग्रेड किए गए रडारों में अधिक ट्रांसमिट पावर, लंबी डिटेक्शन रेंज, अधिक संवेदनशील बीम स्कैनिंग और अधिक शक्तिशाली बीम शेपिंग फ़ंक्शन होते हैं। साथ ही, -50 या -60dB का औसत साइड लोब प्राप्त करना भी आसान हो जाता है।

उदाहरण के तौर पर F22 को लें। इस नई पीढ़ी के स्टील्थ फाइटर जेट का AESA रडार डाइपोल ऐरे का उपयोग करता है (चित्र में F22 के APG77 रडार द्वारा उपयोग किया जाने वाला छाता के आकार का डाइपोल ऐरे दिखाया गया है)। यह यूनिट ब्रॉडबैंड विशेषताओं वाले डाइपोल एंटीना का उपयोग करती है। यूनिट का पैटर्न विस्तृत है और इससे बड़े कोण की स्कैनिंग आसानी से की जा सकती है।

F22 का APG77 रडार एंटीना

सामने की ओर उभरा हुआ हिस्सा आसानी से टीआर घटक समझ लिया जा सकता है। वास्तव में, यह एंटीना की सतह है। टीआर घटक एंटीना के पीछे जुड़ा होता है (हालांकि अब टीआर घटक को आमतौर पर एंटीना के साथ ही एकीकृत कर दिया जाता है, फिर भी इस पर यहां अलग से चर्चा की जा रही है)।

नए राफेल विमान में इस्तेमाल होने वाला RBE2 AESA रडार (जैसा कि नीचे चित्र में दिखाया गया है) विवल्डी एंटीना ऐरे का उपयोग करता है। इस प्रकार की एंटीना इकाई की विशेषता इसकी व्यापक बैंडविड्थ है, जिससे संपूर्ण एंटीना ऐरे की बैंडविड्थ को बढ़ाया जा सकता है।

आरबीई2 एईएसए

आरबीई2 एईएसए

कुछ रडार बेशक ज़्यादा खास होते हैं। उदाहरण के लिए, नीचे दिखाए गए E2D अर्ली वार्निंग विमान द्वारा इस्तेमाल किया जाने वाला APY9 रडार, यूनिट के रूप में यागी एंटीना का उपयोग करता है। चूंकि यह जिस UHF बैंड में विद्युत चुम्बकीय तरंग की तरंगदैर्ध्य का उपयोग करता है, वह लंबी होती है, इसलिए इसके एंटीना का आकार बहुत सीमित होता है। एक आदर्श संकीर्ण बीम और उच्च गेन प्राप्त करने के लिए, इसके एंटीना यूनिट बीम को संकीर्ण करना आवश्यक है, इसलिए यागी एंटीना एक आदर्श विकल्प बन गया है। एक यूनिट के रूप में, उच्च-गेन वाला यागी एंटीना एरे के गेन में उल्लेखनीय सुधार कर सकता है। लेकिन हर चीज़ सापेक्ष होती है। यागी एंटीना का संकीर्ण यूनिट बीम एरे की वाइड-एंगल स्कैनिंग क्षमता को काफी हद तक सीमित कर देता है। जब एंटीना स्कैनिंग कोण सामान्य से बहुत अधिक विचलित होता है, तो गेन में कमी आती है और तरंगरूप में विकृति स्पष्ट रूप से दिखाई देती है। इसलिए, APY9 इन कमियों को दूर करने के लिए इलेक्ट्रोमैकेनिकल स्कैनिंग के संयोजन का उपयोग करता है।

E2D APY9 रडार द्वारा उपयोग किया जाने वाला 2*9 यूनिट यागी एंटीना लाइन ऐरे

फेज्ड एरे तकनीक के विकास ने ही हवाई एंटेना को एक नए स्तर पर पहुँचाया है।

एंटेना का विकास रडार के समग्र तकनीकी विकास का एक छोटा सा उदाहरण है। हालांकि हम एंटेना की बनावट के आधार पर रडार के प्रदर्शन के बारे में कोई निष्कर्ष नहीं निकाल सकते या रडार के समग्र प्रदर्शन को माप नहीं सकते, फिर भी इंजीनियरिंग अक्सर प्रणालियों के बीच समन्वय और संतुलन पर ध्यान केंद्रित करती है। यदि किसी रडार प्रणाली का समग्र प्रदर्शन उन्नत है, तो एंटेना का निम्न स्तर का होना अनिवार्य है। भविष्य में, इंजीनियर हवाई रडार प्रणालियों के विकास को बढ़ावा देने के लिए फेज़्ड ऐरे एंटेना की बड़े कोण वाली स्कैनिंग (वर्तमान स्कैनिंग रेंज को +60 डिग्री तक विस्तारित करना), अल्ट्रा-वाइडबैंड, कॉमन एपर्चर, कन्फॉर्मल आदि जैसी समस्याओं को दूर करने का प्रयास जारी रखेंगे।

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